松軟厚煤層沿空掘巷強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

蔡 勇

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

1 概述

淮南礦區(qū)新莊孜煤礦中的煤礦石炭紀(jì)-二疊紀(jì)含煤地層,主要適用于這一領(lǐng)域的二疊紀(jì)含煤地層,自下而上分A,B,C,D,E五煤炭集團(tuán)七含煤區(qū),煤軸承超過20層,有7層,主要可采煤層的煤厚度超過3.5米厚煤層的至少5層,C13、B11b分別B7a,B6,B4煤層,約占可采煤層總厚度的87.6%;軟煤層的煤層傾角為23-32,高度的雙方之間的道路是不同的,上面是高達(dá)4.0米,這是不利于巷道成形和屋頂?shù)姆€(wěn)定.

采區(qū)采煤工作面風(fēng)巷一般沿小煤柱掘進(jìn)，但以往不重視采空區(qū)掘進(jìn)巷道的復(fù)雜性.沿空巷道頂板下沉，煤柱變形嚴(yán)重，巷道維護(hù)難度大，存在采前修復(fù)現(xiàn)象.小煤柱變形產(chǎn)生大量裂縫，采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象，不利于防火，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn).

圖1 沿空掘巷風(fēng)巷與順槽層位關(guān)系圖

針對上述維修特點，根據(jù)現(xiàn)代煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的技術(shù)水平和最新成果，以新莊子礦66211風(fēng)巷為例，采用高強(qiáng)度預(yù)張錨索網(wǎng)支護(hù)頂板，加強(qiáng)頂板支護(hù)，上部注漿，安全可靠，經(jīng)濟(jì)有效地解決了此類巷道支護(hù)問題.

2 松軟厚煤層沿空掘巷強(qiáng)化支護(hù)參數(shù)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）支撐設(shè)計確保了支撐的安全性，避免了維修期間的大量維修.

（2）支護(hù)材料的支護(hù)參數(shù)和規(guī)范具有良好的適應(yīng)性和施工可行性.隨著巷道圍巖條件的變化很大，若考慮支護(hù)的合理性，可能存在多個支護(hù)參數(shù)和支護(hù)規(guī)格，這將對巷道的建設(shè)和管理產(chǎn)生不利影響.

（3）支護(hù)設(shè)計應(yīng)保證支護(hù)的質(zhì)量，提高掘進(jìn)的速度.

（4）在遵循前三項原則的前提下，要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)理性.

2.2 支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)

(1)新莊孜礦相似煤層巷道支護(hù)狀況及觀測資料.

(2)66211工作面詳細(xì)地質(zhì)資料.

(3)已有的現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果.

(4)現(xiàn)有的科技成果和工程實踐經(jīng)驗.

2.3 錨桿支護(hù)參數(shù)初步設(shè)計

2.3.1 確定錨桿長度及錨桿間排距

（1）巷道掘進(jìn)后松動圈范圍R為：

式中：K—聯(lián)合影響系數(shù)，取1.2；

B—最大跨度取5.0m；

f—圍巖堅固性系數(shù)0.7；

H—為煤層埋深820m；

計算得煤層巷道松動圈為1.86m.

（2）錨桿長度

式中：L1——螺栓外露長度，0.1m；

L2——錨桿在松動圈外的長度，0.35m.

計算錨桿長度2.31m，綜合錨桿規(guī)范及經(jīng)驗公式計算的值，道路錨的長度確定為2.5m.

（3）錨桿強(qiáng)度

錨桿選擇：錨桿采用IV級高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，無左縱筋，σb≥480MPa，長度×錨桿直徑為Ф2500×22.

式中：P——單根錨桿破段力，KN；

Pq1——高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的屈服強(qiáng)度，480MPa.

由上述計算結(jié)果可知，單根錨桿破段力182.4 KN，錨桿強(qiáng)度滿足要求.

（4）錨桿間排距

錨桿的支護(hù)是通過錨桿群的錨固作用，讓圍巖附近一定厚度范圍內(nèi)的巖體均勻壓縮成能夠承受圍巖壓力的整體結(jié)構(gòu).所以說，錨固均勻壓縮區(qū)的厚度不應(yīng)小于螺栓長度的1/3.均勻壓縮區(qū)的厚度與錨固深度和支距之間有一定的關(guān)系.為安全起見，t=L/3，即t=0.8m，可以確定螺栓間距:

公式中R0巷道外接圓半徑（2.8m），依據(jù)計算結(jié)果，錨桿間排距應(yīng)小于1.0m，考慮工作面實際情況，參考相似的巷道支護(hù)參數(shù)，錨桿間排距為0.7×0.8米.

2.3.2 確定錨索的長度和排距

錨索的主要作用是將巖石懸吊在放頂拱中，當(dāng)錨桿支護(hù)不穩(wěn)定時，錨索可以懸吊頂拱中的巖石重量，并繼續(xù)發(fā)揮作用，提高巷道維護(hù)的可靠性.

（1）計算頂板的冒落拱高度

H——冒落拱高度，m；

h——巷道高度，取巷道中高3.2m；

a——巷道最大跨度的一半,2.5m；

Φ——煤體內(nèi)摩擦角320°；

f——頂板巖石的穩(wěn)健系數(shù)0.9；

因此，著陸拱的高度可以計算為：4.63m.

（2）錨索錨固長度

式中：d1——錨索鋼絞線的直徑，22mm；

Fst——錨索體的設(shè)計抗剪強(qiáng)度，為1860 N/mm2；

Fcs——錨索與錨固劑設(shè)計粘結(jié)強(qiáng)度，鋼絞線和樹脂F(xiàn)cs=10N/mm2；

k——安全系數(shù)，為1.4.

根據(jù)以往的實際經(jīng)驗，選用三個Z2355中速樹脂增粘劑，鉆Φ32位，實際錨固長度是：

滿足要求.

（3）錨索長度

依據(jù)專業(yè)的《淮南礦業(yè)集團(tuán)錨桿支護(hù)管理規(guī)定》及本規(guī)范的要求，錨索必須深入穩(wěn)定的頂板巖層中1.2m.考慮到暴露的長度為0.3m，錨索的長度不應(yīng)小于6.3m.

（4）確定錨索排距

冒落拱面積大約為：

如從拱上墮下的巖石重量由錨索懸吊，則錨索的懸浮力應(yīng)為：

式中：γ——拱頂崩落巖石的平均容重，為2.535t/m3；

D——為錨索排距，0.8m.

K——安全系數(shù)，取1.4.

確定錨索的直徑是0.022m，鋼絞線是材料，斷裂力是350千牛.則錨索破斷載荷是：

根據(jù)上式求得D=0.832m.

考慮到動壓對開采的影響及便于錨桿支護(hù)的施工，錨索的排距為0.8m.

根據(jù)巷道實際情況，錨索與索的距離為0.8m.

2.3 巷道支護(hù)設(shè)計

巷道斷面：設(shè)計斷面為直墻倒梯形，凈寬×（下）凈高=4.4×1.8m.

2.3.1 巷道頂板支護(hù)

巷道頂板采用7根IV左旋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺栓、M4鋼帶（規(guī)格：長度4.6m、7個孔、眼距0.7m）、鋼網(wǎng)壓接支護(hù).行間距螺栓是700x800毫米;規(guī)范錨Ф22-2500mm.每根螺栓采用兩根Z 2355中速樹脂線圈螺栓，頂板錨桿設(shè)計扭矩為180N·m.錨固力100kN.靠近上側(cè)和下側(cè)的1個螺栓可以分別與懸臂側(cè)垂直15度布置，從而與頂板形成偽垂直安裝.

屋頂巷道布置的錨索、錨電纜的規(guī)格為Ф22-6300毫米,托盤使用300x300x15毫米平托,根據(jù)行遠(yuǎn)離6-6-6方式,即行布局6錨索,行間距800x800毫米.每根錨索采用3Z 2355型中速樹脂輥錨固，錨索預(yù)壓120kN，錨固力200kN.

2.3.2 巷道上幫支護(hù)

采用5根IV級高強(qiáng)左手螺紋鋼預(yù)緊螺栓和2根M4鋼帶（規(guī)格：長度1800mm、3眼、眼距800mm）、鋼網(wǎng)（內(nèi)襯塑料網(wǎng)）對螺栓進(jìn)行支撐.螺栓間距為800×800mm.錨固規(guī)范為22-2500毫米.每根錨桿采用兩根Z 2355中速樹脂線圈錨固，雙肩錨桿可向巷道壁傾斜15°.螺栓設(shè)計扭矩180N·m，錨力80kN.

施工部門的上部是建造三通錨索梁.梁采用M4鋼帶（長度：2400mm，3眼孔，眼距 900mm），第一錨索梁距離頂板800～1000mm，第二錨索梁距離頂板為 2000～2200mm，第三錨索梁距離頂板3000～3200mm.第一和第二電纜規(guī)格：22-4300毫米灌漿電纜，第三電纜規(guī)格：22-3300毫米實心電纜.每個錨固定兩個Z2355中速樹脂線圈更長.錨索預(yù)拉力80kN，錨固力100kN.第一、第二纜索梁不得超過五米，第三纜索梁不得超過二十米.灌漿延遲不應(yīng)超過30m.

2.3.3 巷道下幫支護(hù)

采用三級IV級左旋螺桿鋼預(yù)緊高強(qiáng)度螺栓加M4 鋼帶(規(guī)格:長度 1800mm,3 孔，800mm 眼距)，鋼網(wǎng)(內(nèi)襯塑料網(wǎng))組合支撐，螺栓排距為800x800mm.錨固規(guī)范為22-2500毫米.每個螺栓采用兩個Z23 55型中速樹脂輥延長錨固.螺栓設(shè)計扭矩180牛.米,錨力80kn.上下肩錨桿可向巷道壁外傾斜15°.

在輔助部分，構(gòu)造了2根M4鋼帶錨固梁(長度2400mm，3個孔，眼距 900mm)，錨索梁距屋面500～800mm.錨索規(guī)格：Φ22-3300毫米實心錨索，每根錨索采用兩根Z2355中速樹脂線圈加長錨固;錨索的預(yù)緊力為80千牛，錨固力為100千牛.

圖2 巷道強(qiáng)化支護(hù)圖

2.3.4 上幫注漿加固

（1）施工順序：施工錨索孔，錨固注漿錨索，注漿.

（2）用風(fēng)鉆或電鉆施工錨索孔.錨索錨固長度300～500mm，確保注漿索與注漿管連接.

（3）檢查孔口是否完成，然后將塞子裝到孔板上.如果止動塞周圍有間隙，則需使用聚氨酯密封材料和棉紗線將其緊固，使錨索盤良好，然后將索具安裝到位.

（4）及時拉伸，確保預(yù)緊力滿足要求.

（5）最后檢查錨索托盤是否靠近巖面，錨索是否筆直，以避免錨索因張拉而彎曲的現(xiàn)象，使灌漿具有較大的阻力.

（6）灌漿設(shè)備安裝.裝配注漿泵和攪拌機(jī)，連接空氣、管道和注漿機(jī).用清水沖洗水桶.無碎屑、水泥等.在水壺中注滿油，在攪拌器中加入少量水，然后慢慢打開空氣，測試攪拌器和灌漿泵.在確保攪拌器和灌漿泵正常運行的情況下，灌漿泵注入的水壓力充足，各種管道和開關(guān)連接無誤，灌漿漿料可以攪拌，漿料可以正常調(diào)整后制漿、灌漿.

（7）準(zhǔn)備漿液.注漿材料應(yīng)使用新鮮的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，比例為市政用水：水泥：注漿添加劑=4：6：1.把水倒進(jìn)桶里，然后啟動攪拌器.起初，混合速度很慢.水泥被加到桶里.水泥應(yīng)連續(xù)緩慢地加入，同時應(yīng)防止大量水泥倒入筒內(nèi)，影響攪拌的質(zhì)量與效果.

（8）灌漿.取下錨桿末端的電線插頭，將灌漿裝置連接到錨桿末端的螺紋上，慢慢擰緊灌漿裝置，檢查與灌漿泵連接的灌漿管是否暢通.啟動灌漿泵用于灌漿，啟動灌漿速度較慢，而在灌漿時攪拌時，灌漿攪拌速度較慢.在注漿中，注漿量是根據(jù)實際情況而定的.注漿后的水泥漿充分充填巷道圍巖裂隙，使原松散圍巖膠結(jié)成整體，形成承壓圍巖的注漿帷幕.

（9）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力不小于3.0MPa.設(shè)計注漿壓力應(yīng)達(dá)到10min以上，穩(wěn)定壓力大于10min，灌漿壓力未達(dá)到，其他注漿孔出現(xiàn)注漿，灌漿過程中出現(xiàn)注漿滲漏現(xiàn)象，證實無堵塞現(xiàn)象.

（10）結(jié)束.每次灌漿后立即用清水沖洗管道與機(jī)器.

3 礦壓監(jiān)測

礦壓監(jiān)測為動態(tài)信息設(shè)計方法的核心內(nèi)容之一.66211風(fēng)巷全長900m，掘進(jìn)與回采期間巷道斷面、支護(hù)強(qiáng)度完全滿足使用的要求.通過對錨桿和錨索在施工過程中的受力測試，監(jiān)測圍巖位移和頂板離層，全面掌握巷道支護(hù)狀態(tài)，保證巷道的安全狀態(tài).

3.1 錨桿（索）載荷變化規(guī)律

通過對支護(hù)體的受力和分布情況的測試，可以更加充分地了解錨桿與錨索的工作情況，錨桿是否已經(jīng)松動、斷裂，巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性，以及錨桿的支護(hù)設(shè)計是否合理.依據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，提出了改進(jìn)支護(hù)設(shè)計的建議.

圖3 錨桿、錨索壓力曲線圖

由圖3中的頂板錨桿、錨索壓力曲線可得出：受工作面掘進(jìn)施工影響，本巷道局部頂板破碎，頂板內(nèi)出現(xiàn)裂隙擴(kuò)張等因素，導(dǎo)致局部錨桿錨固區(qū)域內(nèi)壓力增大，使得錨桿、錨索軸向拉力上升.頂板錨索、幫頂錨桿壓力在安裝20天內(nèi)一直在上升，其后基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài).

3.2 巷道頂板離層規(guī)律

通過對離層的觀察，可以推斷出圍巖內(nèi)的相對離層和移動狀況，可以更好地掌握圍巖運動規(guī)律和變形規(guī)律，為支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù).

圖4 頂板離層曲線圖

由圖4中的頂板離層曲線可得出：受工作面掘進(jìn)施工影響，頂板離層儀深、淺同步出現(xiàn)變化，以淺部離層為主.安裝前10天，頂板剝離值一直在上升.其后基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài).

3.3 巷道表面位移規(guī)律

關(guān)鍵是監(jiān)測巷道的相對變形量，并確定巷道的穩(wěn)定性.

圖5 巷道表面位移曲線圖

由圖5中的巷道表面位移曲線圖可知道以下規(guī)律：巷道開挖20天后，兩幫位移基本上穩(wěn)定；在兩幫位移的對比中，左幫側(cè)（即上幫側(cè)）變形速度略高于右?guī)蛡?cè)（即下幫側(cè)）.巷道掘進(jìn)10天后，上、下位移穩(wěn)定；在頂?shù)孜灰茖Ρ戎?，底板位移速度明顯高于頂板位移速度；根據(jù)變形速度的大小可以判斷，現(xiàn)有的支護(hù)體系對控制巷道位移有明顯的效果.

從以上分析，可以得出認(rèn)定66211風(fēng)巷支護(hù)技術(shù)支護(hù)效果能夠滿足安全回采的要求.

4 總結(jié)

淮南礦區(qū)新莊峪煤礦6611風(fēng)洞沿巷道傾角較大，煤層較軟，厚煤層.使用傳統(tǒng)的錨索網(wǎng)支撐技術(shù).鋼筋沒有加強(qiáng).小煤柱嚴(yán)重變形.兩個團(tuán)伙的最大位移是1500毫米，通向屋頂.嚴(yán)重下沉，頂部和底部的最大位移約為1200mm.巷道一直處于預(yù)開挖和修復(fù)狀態(tài)，僅產(chǎn)生70～80m的月進(jìn)尺.巷道上部應(yīng)分別噴漿防火.

下一階段66211風(fēng)巷采用軟厚煤層沿空巷道加固支護(hù)技術(shù).巷道開挖15～20d后，兩側(cè)位移基本穩(wěn)定，最大位移約300mm，頂?shù)鬃畲笪灰萍s500mm，主要為樓板拱底.巷道支護(hù)系統(tǒng)對控制巷道頂板位移具有明顯的效果.消除了前期開挖和后期維護(hù)，有效地促進(jìn)了快速開挖.月度駕駛鏡頭超過200米.上部注漿直接封閉了煤柱裂隙，防止了采空區(qū)火災(zāi)事故的發(fā)生.

在沿空軟厚煤層巷道中，采用加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，巷道斷面滿足安全開采要求，符合“大斷面、強(qiáng)支護(hù)、支護(hù)省”的要求，保證了生產(chǎn)的安全.在大傾角軟厚煤層沿空掘進(jìn)中，推廣應(yīng)用加固支護(hù)技術(shù)具有重要意義.